Circulação atmosférica - Atmospheric circulation

Representação idealizada (no equinócio ) da circulação atmosférica em grande escala na Terra
Precipitação média de longo prazo por mês

A circulação atmosférica é o movimento do ar em grande escala e, junto com a circulação dos oceanos, é o meio pelo qual a energia térmica é redistribuída na superfície da Terra . A circulação atmosférica da Terra varia de ano para ano, mas a estrutura em grande escala de sua circulação permanece razoavelmente constante. Os sistemas climáticos de menor escala - depressões de latitude média ou células convectivas tropicais - ocorrem "aleatoriamente", e as previsões meteorológicas de longo alcance não podem ser feitas além de dez dias na prática, ou um mês em teoria (veja a teoria do caos e a borboleta efeito ).

O clima da Terra é uma consequência de sua iluminação pelo Sol e das leis da termodinâmica . A circulação atmosférica pode ser vista como uma máquina de calor movida pela energia do Sol, e cujo dissipador de energia , em última instância, é a escuridão do espaço. O trabalho produzido por aquele motor provoca o movimento das massas de ar e, nesse processo, redistribui a energia absorvida pela superfície terrestre próxima aos trópicos para as latitudes mais próximas dos pólos, e daí para o espaço.

As "células" da circulação atmosférica em grande escala mudam para os pólos em períodos mais quentes (por exemplo, interglaciais em comparação com os glaciais ), mas permanecem amplamente constantes, pois são, fundamentalmente, uma propriedade do tamanho da Terra, taxa de rotação, aquecimento e profundidade atmosférica, todos dos quais pouco mudam. Em períodos muito longos (centenas de milhões de anos), uma elevação tectônica pode alterar significativamente seus principais elementos, como a corrente de jato , e as placas tectônicas podem mudar as correntes oceânicas . Durante os climas extremamente quentes do Mesozóico , um terceiro cinturão desértico pode ter existido no Equador .

Características de circulação latitudinal

Uma visão idealizada de três grandes células de circulação mostrando ventos de superfície
Velocidade vertical a 500 hPa, média de julho. A ascensão (valores negativos) concentra-se próximo ao equador solar; a descida (valores positivos) é mais difusa, mas também ocorre principalmente na célula de Hadley.

Os cinturões de vento que circundam o planeta são organizados em três células em cada hemisfério - a célula de Hadley , a célula de Ferrel e a célula polar. Essas células existem nos hemisférios norte e sul. A maior parte do movimento atmosférico ocorre na célula de Hadley. Os sistemas de alta pressão atuando na superfície da Terra são equilibrados pelos sistemas de baixa pressão em outros lugares. Como resultado, há um equilíbrio de forças agindo na superfície da Terra.

As latitudes dos cavalos são uma área de alta pressão em cerca de 30 ° a 35 ° de latitude (norte ou sul), onde os ventos divergem para as zonas adjacentes das células de Hadley ou Ferrel, e que normalmente têm ventos fracos, céu ensolarado e pouca precipitação.

Célula Hadley

A faixa de nuvens do ITCZ sobre o Pacífico Oriental e as Américas vistas do espaço

O padrão de circulação atmosférica que George Hadley descreveu foi uma tentativa de explicar os ventos alísios . A célula de Hadley é um circuito fechado de circulação que começa no equador. Lá, o ar úmido é aquecido pela superfície da Terra, diminui de densidade e aumenta. Uma massa de ar semelhante subindo do outro lado do equador força essas massas de ar ascendentes a se moverem em direção aos pólos. O ar ascendente cria uma zona de baixa pressão perto do equador. Conforme o ar se move na direção dos pólos, ele esfria, torna-se mais denso e desce por volta do paralelo 30 , criando uma área de alta pressão . O ar descido então viaja em direção ao equador ao longo da superfície, substituindo o ar que subiu da zona equatorial, fechando o ciclo da célula de Hadley. O movimento do ar em direção aos pólos na parte superior da troposfera desvia-se para o leste, causado pela aceleração de Coriolis (uma manifestação de conservação do momento angular). No nível do solo, entretanto, o movimento do ar em direção ao equador na troposfera inferior desvia-se em direção ao oeste, produzindo um vento do leste. Os ventos que fluem para o oeste (do leste, vento de leste) no nível do solo na célula de Hadley são chamados de ventos alísios.

Embora a célula de Hadley seja descrita como localizada no equador, no hemisfério norte ela muda para latitudes mais altas em junho e julho e para latitudes mais baixas em dezembro e janeiro, que é o resultado do aquecimento solar da superfície. A zona onde ocorre o maior aquecimento é chamada de " equador térmico ". Como o verão do hemisfério sul é de dezembro a março, ocorre o movimento do equador térmico para latitudes mais altas do sul.

O sistema Hadley fornece um exemplo de circulação termicamente direta. A potência do sistema Hadley, considerado um motor térmico, é estimada em 200 tera watts .

Célula de Ferrel

Parte do ar que sobe a 60 ° de latitude diverge em grande altitude em direção aos pólos e cria a célula polar. O resto se move em direção ao equador, onde colide a 30 ° de latitude com o ar de alto nível da célula de Hadley. Lá, ele diminui e fortalece as cristas de alta pressão abaixo. Uma grande parte da energia que move a célula de Ferrel é fornecida pelas células polares e de Hadley que circulam em ambos os lados e que arrastam a célula de Ferrel com ela. A célula de Ferrel, teorizada por William Ferrel (1817-1891), é, portanto, uma característica secundária da circulação, cuja existência depende da Hadley e das células polares de cada lado dela. Pode ser pensado como um redemoinho criado pelas células Hadley e polares.

O ar da célula de Ferrel que desce a 30 ° de latitude retorna em direção aos pólos ao nível do solo e, ao fazê-lo, desvia para o leste. Na atmosfera superior da célula de Ferrel, o ar que se move em direção ao equador desvia em direção ao oeste. Ambos os desvios, como no caso das células de Hadley e polares, são movidos pela conservação do momento angular. Como resultado, assim como os ventos alísios de leste são encontrados abaixo da célula de Hadley, os Westerlies são encontrados abaixo da célula de Ferrel.

A célula de Ferrel é fraca porque não tem uma fonte forte de calor nem um dissipador forte, de modo que o fluxo de ar e as temperaturas dentro dela são variáveis. Por esse motivo, as latitudes médias são às vezes conhecidas como "zona de mistura". As células de Hadley e polares são realmente loops fechados, a célula de Ferrel não é, e o ponto decisivo está nas Westerlies, que são mais formalmente conhecidas como "as Prevailing Westerlies". Os ventos alísios de leste e os ventos polares de leste não têm nada sobre o que prevalecer, já que suas células-mãe de circulação são fortes o suficiente e enfrentam poucos obstáculos, seja na forma de maciços terrenos ou zonas de alta pressão. Os Westerlies mais fracos da célula de Ferrel, no entanto, podem ser interrompidos. A passagem local de uma frente fria pode mudar isso em questão de minutos, e freqüentemente muda. Como resultado, na superfície, os ventos podem variar abruptamente de direção. Mas os ventos acima da superfície, onde são menos perturbados pelo terreno, são essencialmente de oeste. Uma zona de baixa pressão a 60 ° de latitude que se move em direção ao equador, ou uma zona de alta pressão a 30 ° de latitude que se move em direção aos pólos, irá acelerar os ventos do oeste da célula de Ferrel. Um pólo forte, alto e em movimento pode trazer ventos de oeste por dias.

O sistema Ferrel atua como uma bomba de calor com um coeficiente de desempenho de 12,1, consumindo energia cinética dos sistemas Hadley e polares a uma taxa aproximada de 275 terawatts.

Célula polar

A célula polar é um sistema simples com fortes drivers de convecção. Embora frio e seco em relação ao ar equatorial, as massas de ar no paralelo 60 ainda são suficientemente quentes e úmidas para sofrer convecção e conduzir um ciclo térmico . No paralelo 60, o ar sobe até a tropopausa (cerca de 8 km nesta latitude) e se move em direção aos pólos. Ao fazer isso, a massa de ar de nível superior desvia para o leste. Quando o ar atinge as áreas polares, ele é resfriado pela radiação para o espaço e é consideravelmente mais denso do que o ar subjacente. Ele desce, criando uma área fria e seca de alta pressão. No nível da superfície polar, a massa de ar é afastada do pólo em direção ao paralelo 60, substituindo o ar que subiu ali, e a célula de circulação polar está completa. À medida que o ar na superfície se move em direção ao equador, ele se desvia para o oeste. Novamente, os desvios das massas de ar são o resultado do efeito Coriolis . Os fluxos de ar na superfície são chamados de ventos polares de leste, fluindo de nordeste para sudoeste perto do pólo norte e de sudeste para noroeste perto do pólo sul.

A saída da massa de ar da célula cria ondas harmônicas na atmosfera conhecidas como ondas de Rossby . Essas ondas ultralongas determinam o caminho da corrente de jato polar , que viaja dentro da zona de transição entre a tropopausa e a célula de Ferrel . Atuando como dissipador de calor, a célula polar move o calor abundante do equador em direção às regiões polares.

A célula de Hadley e a célula polar são semelhantes no sentido de que são termicamente diretas; em outras palavras, eles existem como uma consequência direta das temperaturas da superfície. Suas características térmicas impulsionam o clima em seu domínio. O grande volume de energia que a célula Hadley transporta e a profundidade do dissipador de calor contido na célula polar garantem que os fenômenos meteorológicos transitórios não apenas tenham um efeito insignificante nos sistemas como um todo, mas - exceto em circunstâncias incomuns - eles têm não forma. A cadeia interminável de altos e baixos que fazem parte da vida cotidiana dos moradores de latitudes médias, sob a célula de Ferrel nas latitudes entre 30 e 60 ° de latitude, é desconhecida acima do 60º e abaixo do 30º paralelo. Existem algumas exceções notáveis ​​a esta regra; na Europa, o clima instável se estende até pelo menos o 70º paralelo ao norte .

A célula polar, o terreno e os ventos catabáticos na Antártica podem criar condições muito frias na superfície, por exemplo, a temperatura mais baixa registrada na Terra : −89,2 ° C na Estação Vostok na Antártica, medida em 1983.

Características de circulação longitudinal

A mudança diurna do vento na área costeira local também se aplica à escala continental.

Embora Hadley, Ferrel e células polares (cujos eixos são orientados ao longo de paralelos ou latitudes) sejam as principais características do transporte global de calor, elas não agem sozinhas. As diferenças de temperatura também impulsionam um conjunto de células de circulação, cujos eixos de circulação são orientados longitudinalmente. Esse movimento atmosférico é conhecido como circulação de reviravolta zonal .

A circulação latitudinal é o resultado da maior radiação solar por unidade de área (intensidade solar) caindo nos trópicos. A intensidade solar diminui com o aumento da latitude, atingindo essencialmente zero nos pólos. A circulação longitudinal, entretanto, é resultado da capacidade térmica da água, de sua absortividade e de sua mistura. A água absorve mais calor do que a terra, mas sua temperatura não sobe tanto quanto a terra. Como resultado, as variações de temperatura na terra são maiores do que na água.

O Hadley, Ferrel e células polares operam na maior escala de milhares de quilômetros ( escala sinótica ). A circulação latitudinal também pode atuar nesta escala de oceanos e continentes, e esse efeito é sazonal ou mesmo decadal . O ar quente sobe sobre as regiões equatorial, continental e ocidental do Oceano Pacífico. Quando atinge a tropopausa, ele esfria e diminui em uma região de massa de água relativamente mais fria.

A célula do Oceano Pacífico desempenha um papel particularmente importante no clima da Terra. Essa célula inteiramente baseada no oceano surge como resultado de uma diferença marcante nas temperaturas da superfície do Pacífico ocidental e oriental. Em circunstâncias normais, as águas do Pacífico oeste são quentes e as do leste são frias. O processo começa quando uma forte atividade convectiva sobre o leste da Ásia equatorial e o ar frio diminuindo na costa oeste da América do Sul criam um padrão de vento que empurra a água do Pacífico para o oeste e a acumula no oeste do Pacífico. (Os níveis de água no Pacífico ocidental são cerca de 60 cm mais altos do que no Pacífico oriental.).

Os efeitos longitudinais diários (diurnos) estão na mesoescala (uma faixa horizontal de 5 a várias centenas de quilômetros). Durante o dia, o ar aquecido pela terra relativamente mais quente sobe e, ao fazê-lo, puxa uma brisa fresca do mar que substitui o ar que sobe. À noite, a água relativamente mais quente e a terra mais fria invertem o processo, e uma brisa da terra, de ar resfriado pela terra, é levada para o mar à noite.

Circulação de Walker

A célula do Pacífico é de tal importância que foi nomeada a circulação Walker depois de Sir Gilbert Walker , diretor-início do século 20 de observatórios britânicos na Índia , que procurava um meio de prever quando as monções ventos da Índia seria um fracasso. Embora nunca tenha conseguido fazê-lo, seu trabalho o levou à descoberta de uma ligação entre as variações periódicas de pressão no Oceano Índico e aquelas entre o leste e o oeste do Pacífico, que ele chamou de " Oscilação do Sul ".

O movimento do ar na circulação do Walker afeta as alças de ambos os lados. Em circunstâncias normais, o clima se comporta conforme o esperado. Mas a cada poucos anos, os invernos tornam-se incomumente quentes ou incomumente frios, ou a frequência dos furacões aumenta ou diminui, e o padrão se estabelece por um período indeterminado.

A célula Walker desempenha um papel fundamental neste e no fenômeno El Niño . Se a atividade convectiva diminuir no Pacífico Ocidental por algum motivo (este motivo não é conhecido atualmente), os climas das áreas adjacentes ao Pacífico Ocidental são afetados. Primeiro, os ventos de oeste de nível superior falham. Isso corta a fonte de retorno do ar frio que normalmente diminuiria a cerca de 30 ° de latitude sul e, portanto, o ar que retorna na superfície cessa. Existem duas consequências. A água quente deixa de surgir no Pacífico oriental a partir do oeste (ela foi "empilhada" pelos ventos de leste do passado), uma vez que não há mais vento de superfície para empurrá-la para a área do Pacífico oeste. Este e os efeitos correspondentes da Oscilação Sul resultam em temperaturas e padrões de precipitação não sazonais de longo prazo na América do Norte e do Sul, Austrália e Sudeste da África, e na interrupção das correntes oceânicas.

Enquanto isso, no Atlântico, velozes níveis superiores de Westerlies da célula de Hadley se formam, que normalmente seriam bloqueados pela circulação de Walker e incapaz de atingir tais intensidades. Esses ventos perturbam o topo dos furacões nascentes e diminuem muito o número de pessoas capazes de atingir sua força total.

El Niño - Oscilação Sul

El Niño e La Niña são anomalias de temperatura de superfície opostas do Pacífico Sul, que influenciam fortemente o clima em grande escala. No caso do El Niño, as águas superficiais quentes se aproximam das costas da América do Sul, o que resulta no bloqueio da ressurgência de águas profundas ricas em nutrientes. Isso tem sérios impactos nas populações de peixes.

No caso do La Niña, a célula convectiva no oeste do Pacífico se fortalece desordenadamente, resultando em invernos mais frios do que o normal na América do Norte e uma temporada de ciclones mais robusta no sudeste da Ásia e no leste da Austrália . Há também um aumento da ressurgência de águas profundas e frias do oceano e uma elevação mais intensa do ar de superfície perto da América do Sul, resultando em um número crescente de ocorrências de seca, embora os pescadores colham os benefícios das águas do Pacífico oriental, mais cheias de nutrientes.

Veja também

Referências

links externos